非金屬水力錨研制與試驗

申曉莉，陳立海，王子建，畢福偉

（1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710021；2.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710021；3.長慶油田分公司 安全環保處，西安710018）①

在油田注水開發過程中，為了提高原油采收率，需要對注水井進行分層注水，擴大注入水波及體積。目前采用錨定式分層注水管柱，能夠有效防止管柱蠕動造成分注封隔器密封失效問題，延長分注有效期。但是，金屬水力錨錨爪與套管內壁直接接觸，易傷害套管內壁。另外，注入水長年累月地流經錨爪孔腔，勢必在孔腔內形成結垢，會阻礙水力錨錨爪縮回，造成水力錨卡死，導致起鉆遇卡等井下事故［1－2］。筆者在滿足注水管柱錨定力的條件下，對水力錨結構及錨爪材質進行了設計及改進，研制了非金屬水力錨，不僅達到了錨定分注管柱、延長分注有效期的目的，而且有效防止了貓爪對套管內壁損傷，降低了分注管柱起鉆遇卡風險。

1 結構及主要技術參數

非金屬水力錨結構如圖1所示。上接頭下端連接中心管，中心管下端為下接頭。上錐體固定于中心管外壁，錨定爪分布在上錐體外，并用錨定爪套筒固定。壓縮活塞套在中心管上，且帶錐面的一端置于非金屬錨定爪底部，同時將活塞套筒安裝在壓縮活塞上。

錨爪采用橡膠硫化而成。為了增強其錨定力，擴大了錨爪與套管內壁的接觸面積，錨定方式由以前的擴張式改變為壓縮式。

圖1 非金屬水力錨結構

主要技術參數如表1。

表1 非金屬水力錨主要技術參數

2 工作原理

高壓流體從上接頭流入，經中心管進入活塞與活塞套筒密封環空，推動壓縮活塞上移，活塞帶錐體一端將活塞的上推力改變為沿油管徑向的推力，推動非金屬錨定爪徑向擴張，與套管內壁貼合，活塞上移帶動活塞套筒上移。隨著油管壓力的增大，增大了非金屬錨定爪作用于套管內壁的正壓力，從而增加非金屬錨定爪與套管內壁間的軸向摩擦力。在正常注水壓力下，非金屬錨定爪與套管內壁間的軸向摩擦力大于在該壓力下油管受的軸向拉力，從而防止油管上、下蠕動，達到錨定油管的目的。

3 創新點

1） 錨爪采用復合材料與鋼體硫化而成，具有耐磨和抗腐蝕能力。

2） 增大單塊錨爪面積，增大套管內壁接觸面積，提高了錨定力。

3） 錨爪外層復合材料與套管內壁接觸，不損傷套管內壁。

4） 采用壓縮式錨定方式，錨定性能比擋板式、擴張式錨定更穩定。

4 室內試驗

4.1 錨定力計算

依據相關標準［3］，水力錨的錨定力為：

式中：F為錨定力，KN；A為油管內徑的面積，mm2；p為注水壓力，MPa。

常用注水管柱采用J55、N80鋼級、內徑62 mm的油管，計算注水壓力為12～20MPa時，水力錨的錨定力，如表2。

表2 不同注水壓力下非金屬水力錨錨定力

4.2 錨定力試驗

該試驗需121mm套管試驗井1口，非金屬水力錨1套，600型電動試壓泵1臺，200kN拉力表1只。將非金屬水力錨與油管連接下入121mm套管試驗井中，連接好地面管線，進行油管加壓，在不同壓力下，采用拉力計拉動非金屬水力錨，觀察拉力變化情況（如圖2所示）。

當油管壓力穩壓在15MPa時，通過拉力計上提管柱，最大上提拉力60kN，為設計錨定力的1.3倍；當油管壓力穩壓在20MPa時，通過拉力計上提管柱，最大拉力80kN，為設計錨定力的1.3倍。起出后，非金屬水力錨錨爪的復合材料完好無損。

4.3 抗壓強度試驗

該工具設計的額定工作壓力為30MPa。按照標準要求加壓至45MPa，穩壓10min后，不滲漏，符合設計要求。測量結果表明：試驗前、后活塞鋼體外徑均為114.01mm，即鋼體無變形。

圖2 非金屬水力錨錨定力試驗示意

5 結論

1） 研制出外徑為114mm的非金屬水力錨，最大錨定力80kN。在45MPa條件下，不滲漏且鋼體無變形，表明其錨定性能穩定、可靠。錨爪在作用力的推動下伸出與回收自如，各部件動作靈活、可靠。

2） 非金屬水力錨錨爪采用復合材料與鋼體硫化而成，具有良好的耐磨和抗腐蝕性能，且不損傷套管內表面，也可避免發生起管柱遇卡事故。采用壓縮式錨定方式，錨定性能比擋板式、擴張式錨定更穩定。

3） 該非金屬水力錨適用于124mm套管分層注水管柱，隨著油田精細開發，具有廣闊的應用前景。下步需要根據現場試驗結果，對其結構及性能進行優化研究。

［1］劉汝福，王隆慧，韓 進，等.水力錨對套管損傷數值模擬分析及結構優化［J］.石油礦場機械，2004，33（5）：65－67.

［2］祝慶遠.防卡水力錨的研制［J］.石油礦場機械，2004，33（3）：97－98.

［3］SY／T 5628—2008，水力錨［S］.